竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料性能的研究

潘 炘，莊曉偉，陳順偉，章江麗

（浙江林業科學研究院，浙江省森林資源與生物質化學利用重點實驗室，浙江 杭州310029）

0 前言

聚氨酯是一類以多異氰酸酯與含有羥基、羧基、氨基等官能團多元醇反應制得的共聚物，具有高彈性、高彈性模量、良好的撓曲性以及耐磨、耐候、耐油脂、耐溶劑等優良性能，廣泛應用于多種領域，被譽為性能優異的樹脂。許多研究者通過改變聚氨酯的化學結構或者加入無機或有機填料等手段調節聚氨酯的性能，拓寬了其用途。加入一般無機材料可以提高材料的強度，但同時也會降低材料的其他性能，如韌性等［1－2］。

竹炭是20多年前才首先在日本興起，并成為一個新興的、綜合型的朝陽產業。現在竹炭不僅應用于環境保護中，還廣泛應用于農業、美容、功能保健等多個領域。而將竹炭加入聚氨酯中得到的竹炭聚氨酯泡沫塑料既有泡沫塑料的特點，又兼有竹炭優良的吸附性、遠紅外功能等，是一種可以廣泛應用于建筑、裝飾的新型材料，而竹炭聚氨酯泡沫塑料的研究鮮見報道。本文主要研究在聚氨酯泡沫塑料中添加竹炭引起的物理性能的改變。

1 實驗部分

1．1 主要原料

聚氨酯基準配方，聚醚多元醇560S為36份，聚醚多元醇2000為36份，辛酸亞錫為0．1份，硅油為0．72份，氨水為0．15份，水為1．83份，4，4′－二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）／甲苯二異氰酸酯（TDI）為50／40份，浙江海寧塑料制品廠；

竹炭，4μm，含水率≤2%，浙江富來森中竹科技股份有限公司。

1．2 主要設備及儀器

頂置式機械攪拌器，KA RW20digital，德國IKA公司；

數顯鼓風干燥箱，GZX－9030MBE，上海博迅實業有限公司；

質構儀，Texture－analysis Plus，英國Stable Micro Systems公司；

綜合熱分析儀，NETZSCHSTA409，德國耐馳公司；

色差計，TNI18X－Rite，美國愛色麗公司；

顯微攝像儀，Olympus DP－71，日本奧林巴斯公司；

遠紅外雙波段發射率測定儀，IR－2，中科院上海技術物理研究所；

負離子濃度測試儀，COM－3010，日本 COM－PRO公司。

1．3 樣品制備

聚醚多元醇與竹炭共混，攪拌時間90s，攪拌器轉速以200r／min為起始，30s后再提高至800r／min；然后將多元醇與MDI按1∶1．8的配料比加入相應的MDI，攪拌時間30s，攪拌器轉速為800r／min；將攪拌好的料液快速導入模具中，置于（65±2）℃的烘箱中固化15min；取出冷卻，放置72h后制樣檢測。

1．4 性能測試與結構表征

按GB／T 6343—2009測試泡沫塑料的表觀密度；

按GB／T 6670—1997測試樣品的落球回彈率；

按GB／T 10808—2006測試樣品的撕裂強度；

按GB／T 6344—2008測試樣品的拉伸性能，拉伸速率為500mm／min；

按GB／T 1087—2006測試樣品的硬度，壓陷法；

熱失重（TG）分析：N2氣氛，載氣流速40mL／min，以20℃／min的升溫速率從25℃升溫至700℃。

2 結果與討論

2．1 竹炭含量對表觀密度的影響

從圖1可見，隨著竹炭含量的增大，聚氨酯泡沫塑料表觀密度逐漸增大。不含竹炭的泡沫塑料的表觀密度最小，為0．405g／cm3，竹炭含量為8%的樣品表觀密度最大，為0．574g／cm3。

樣品的表觀密度與竹炭含量成正比，究其原因，一是竹炭的加入，使聚氨酯泡體密度變大，二是竹炭的添加對泡體發泡過程有影響，用等量的物料發泡體積變小導致密度變大。

圖1 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的表觀密度Fig．1 Apparent density of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．2 竹炭含量對落球回彈性能的影響

從圖2可知，樣品中隨著竹炭含量的增大，落球回彈率逐漸變大。不含竹炭的泡沫塑料的落球回彈率最小，為18．43%。竹炭含量為8%的樣品落球回彈率最大，為23．2%。竹炭粒子活性表面可與若干大分子鏈相結合，竹炭在大分子鏈之間可能起到交聯點的作用，樣品中的竹炭含量越高則形成這樣的交聯點也多，大分子鏈之間的交聯點增多，大分子鏈的柔性下降，因此樣品整體的剛性上升，樣品的落球回彈率增大。所以整體聚氨酯軟質泡沫塑料剛性較強，加入復合竹炭粉對其影響顯著。

圖2 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的落球回彈率Fig．2 Resilience ratio of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．3 竹炭含量對力學性能的影響

圖3 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的力學性能Fig．3 Mechanical properties of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

如圖3所示，隨著竹炭含量的增加，樣品的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度大體呈現減小的趨勢。力學性能試驗結果表明竹炭的添加量對泡沫塑料力學性能影響的現象與玻璃微珠增強聚氨酯泡沫塑料研究的變化規律不一致。這可能是因為竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料密度較大。因此同樣含量的復合竹炭粉相應地分散在較小的體積空間之內，進而可能產生粒子團聚。材料受外力作用時，易在此處引起應力集中而使泡體破壞。由于4μm竹炭粒徑很小，很難達到均勻分散，很多集中在3個相鄰氣泡共同交界的三角區（plateau），所以沒有出現類似橡膠中炭黑的補強作用。雖然力學性能受到竹炭含量的影響，但竹炭含量的不同對力學指數下降趨勢的影響相對較緩和。在復合竹炭粉含量為2%以內，該泡沫塑料達到通用軟質聚醚型聚氨酯泡沫塑料標準（GB／T 10802—2006）的要求。

竹炭在泡沫塑料中的分布不均勻，大部分分散在網絡的結點處，當泡沫受力時，泡沫塑料內部應力平均分布狀態被破壞，造成應力集中的現象。分布的竹炭成為破壞材料的薄弱環節，影響了泡沫的拉伸強度、撕裂強度及斷裂伸長率。隨著竹炭含量的增大，在泡沫網絡和網絡結點處分散的竹炭顆粒也隨之增多，竹炭團聚現象明顯。在拉伸作用下，竹炭顆粒團聚的區域不能有效地承受應力，產生應力集中，導致泡沫塑料的力學性能下降。另外也可能因為竹炭的加入導致聚氨酯中晶核數目增多，微晶的尺寸變得細小，有序性變差，起不到應有的補強作用。竹炭本身也可能因為團聚會疏松高分子材料，阻隔分子間交聯與纏繞，使材料的韌性下降，剛性增加，使力學性能受到影響。竹炭含量越大，影響也越明顯，如圖4所示。同時力學性能的變化趨勢也同樣反映了復合材料中交聯效果的變化趨勢。

圖4 不同竹炭含量聚氨酯泡沫塑料光學顯微照片Fig．4 Optical micrographs for polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．4 竹炭含量對負離子及遠紅外發射性能的影響

從圖5（a）可知，隨著竹炭粉的加入，竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的負離子釋放量成倍增長。說明竹炭的加入可以大大加強聚氨酯泡沫塑料負離子釋放能力。這與聚氨酯慢回彈泡沫塑料負離子釋放能力一致。如圖5（b）所示，竹炭的加入可以改善聚氨酯泡沫塑料遠紅外發射能力，但總體增加趨勢緩和。不含竹炭的樣品與含8%竹炭的復合竹炭聚氨酯泡沫塑料的遠紅外發射率分別為0．887、0．983。

2．5 竹炭含量對色差的影響

色差評價問題一直是顏色科學領域和實際工業生產中的一個重要問題。客觀地測量和評價色差數值的大小與人眼視覺上的差距，長期以來被認為是工業界一項困難而又必須解決的關鍵技術。色差就是指用數值的方式表示2種顏色給人色彩感覺上的差別。若2個彩色樣品都按亮度（L＊）、紅綠值（a＊）、黃藍值（b＊）標定顏色，則兩者之間的總色差ΔE以及各單項色差可用式（1）計算：

圖5 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的負離子釋放量和遠紅外發射率Fig．5 Anion release and far－infrared emissivity of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

從表1可知，加入竹炭后，聚氨酯軟質泡沬L＊值越來越小，表明色度越來越偏黑。這與感觀一致。總色差與L＊值變化規律一致，也與感觀變化一致。

表1 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的色差值Tab．1 Aberration of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．6 TG分析

從圖6可知，聚氨酯軟質泡沫塑料樣品初始分解溫度約在270℃。竹炭的添加對泡沫塑料熱穩定性無影響，但添加復合竹炭粉使聚氨酯泡沫塑料的失重減少。這主要是因為700℃時竹炭熱穩定性較好，竹炭添加量為8%的樣品的失重率約為86．8%，而未添加竹炭的樣品幾乎完全失重，其失重率為99．62%。

圖6 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的TG曲線Fig．6 TG curves for polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

3 結論

（1）以復合竹炭粉為填料，制備了物性良好、尺寸穩定、密度為0．405～0．574g／cm3的竹炭聚氨酯泡沫塑料，該泡沫塑料的回彈率隨復合竹炭粉含量的增加而增加；

（2）竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度隨復合竹炭粉含量的增加而變小；復合竹炭粉含量為8%時，聚氨酯泡沫塑料的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度分別為純聚氨酯泡沫塑料的63．87%、57．04%、55．32%；

（3）竹炭聚氨酯軟質泡沫塑料的負離子釋放能力隨復合竹炭粉含量的增加而增加；復合竹炭粉對該泡沫塑料的遠紅外發射率的影響也呈正相關，其色差變化與感觀一致，而竹炭粉的添加對泡沫塑料的熱穩定性無影響。

［1］ Urgun Demirtas M，Singh D，Pagill K．Laboratory Investigation of Biodegradability of a Polyurethane FoamUnder Anaerobic Conditions［J］．Polymer Degradation and Stability，2007，92（8）：1599－1610．

［2］ 朱呂民，劉益軍．聚氨酯泡沬塑料［M］．北京：化學工業出版社，2008：129－235．